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JVM虚拟机

news 2025/8/23 13:20:32

JVM 概述

Java虚拟机（JVM）是运行Java字节码的虚拟计算机，是Java平台的核心组件。它负责将字节码转换为特定操作系统的机器指令，实现“一次编写，到处运行”的特性。JVM包含内存管理、垃圾回收、即时编译（JIT）等机制。

JVM执行流程

程序在执⾏之前先要把java代码转换成字节码（class⽂件），JVM⾸先需要把字节码通过⼀定的⽅式类加载器（ClassLoader）把⽂件加载到内存中运⾏时数据区（RuntimeDataArea），⽽字节码⽂件是JVM的⼀套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执⾏，因此需要特定的命令解析器**执⾏引擎（ExecutionEngine**将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执⾏，⽽这个过程中需要调⽤其他语⾔的接⼝本地库接⼝（NativeInterface）来实现整个程序的功能，这就是这4个主要组成部分的职责与功能。

运行时数据区

堆（Heap）：存储对象实例和数组，是垃圾回收的主要区域。
方法区（Method Area）：存储类元数据、常量池等，JDK 8后由元空间（Metaspace）替代。
虚拟机栈（VM Stack）：存储栈帧（局部变量表、操作数栈等），每个线程私有。
本地方法栈（Native Method Stack）：支持Native方法调用。
程序计数器（PC Register）：记录当前线程执行的字节码指令地址。

1.堆（线程共享）

堆⾥⾯分为两个区域：新⽣代和⽼⽣代，新⽣代放新建的对象，当经过⼀定GC次数之后还存活的对象会放⼊⽼⽣代。新⽣代还有3个区域：⼀个Endn+两个Survivor（S0/S1）。

垃圾回收的时候会将Endn中存活的对象放到⼀个未使⽤的Survivor中，并把当前的Endn和正在使⽤的Survivor清楚掉。

通过-Xms和-Xmx参数设置初始和最大堆大小。

2.Java虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的作⽤：Java虚拟机栈的⽣命周期和线程相同，Java虚拟机栈描述的是Java⽅法执⾏的内存模型：每个⽅法在执⾏的同时都会创建⼀个栈帧（StackFrame）⽤于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝等信息。咱们常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。

Java 虚拟机栈中包含了以下4部分：

局部变量表：存放了编译器可知的各种基本数据类型(8⼤基本数据类型)、对象引⽤。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进⼊⼀个⽅法时，这个⽅法需要在帧中分配多⼤的局部变量空间是完全确定的，在执⾏期间不会改变局部变量表⼤⼩。简单来说就是存放⽅法参数和局部变量。
操作栈：每个⽅法会⽣成⼀个先进后出的操作栈。
动态链接：指向运⾏时常量池的⽅法引⽤。
⽅法返回地址：PC寄存器的地址。

3.本地方法栈（线程私有）

本地⽅法栈和虚拟机栈类似，只不过Java虚拟机栈是给JVM使⽤的，⽽本地⽅法栈是给本地⽅法使⽤的。

4.程序计数器（线程私有）

程序计数器是⼀块⽐较⼩的内存空间，如果当前线程正在执⾏的是⼀个Java⽅法，这个计数器记录的是正在执⾏的虚拟机字节码指令的地址；

唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域。

5.方法区（线程共享）

⽤来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的。

什么是线程私有?

由于JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执⾏时间的⽅式来实现，因此在任何⼀个确定的时刻，⼀个处理器(多核处理器则指的是⼀个内核)都只会执⾏⼀条线程中的指令。因此为了切换线程后能恢复到正确的执⾏位置，每条线程都需要独⽴的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独⽴存储。我们就把类似这类区域称之为"线程私有"的内存。

JVM类加载

1.类加载过程

加载阶段 查找并加载类的二进制数据（.class文件），生成一个代表该类的Class对象。类加载器通过类的全限定名获取二进制字节流，将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
验证阶段 确保加载的类信息符合JVM规范，包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。防止恶意代码或不符合规范的字节码危害JVM运行安全。
准备阶段 为类变量（static变量）分配内存并设置初始值（零值）。例如static int value=123在准备阶段后值为0，初始化阶段才会变为123。若变量被final修饰（如static final int value=123），准备阶段直接赋值为123。
解析阶段 将常量池内的符号引用替换为直接引用。符号引用是一组描述目标的字面量，直接引用可以是直接指向目标的指针或间接定位的句柄。
初始化阶段 执行类构造器<clinit>()方法，包括静态变量赋值和静态代码块。虚拟机会保证子类<clinit>()执行前父类的<clinit>()已执行。若多个线程同时初始化一个类，JVM会同步锁定。

2.双亲委派模型

工作流程：

类加载请求先由当前类加载器委派给父类加载器处理。
父类加载器无法完成时（搜索范围内未找到类），子类加载器才尝试加载。

类加载器分类

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader） 由C++实现，负责加载JAVA_HOME/lib目录下的核心类库（如rt.jar）。无法被Java程序直接引用。
应用程序类加载器（Application ClassLoader） 加载用户类路径（ClassPath）的类库。由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，是默认的类加载器。
自定义类加载器 通过继承ClassLoader类实现，需重写findClass()方法。常见场景包括热部署、代码加密解密等。

优势：

避免重复加载类：⽐如A类和B类都有⼀个⽗类C类，那么当A启动时就会将C类加载起来，那么在B类进⾏加载时就不需要在重复加载C类了。
安全性：使⽤双亲委派模型也可以保证了Java的核⼼API不被篡改，如果没有使⽤双亲委派模型，⽽是每个类加载器加载⾃⼰的话就会出现⼀些问题，⽐如我们编写⼀个java.lang.Object 类的话，那么程序运⾏的时候，系统就会出现多个不同的Object类，⽽有些Object类⼜是⽤⼾⾃⼰提供的因此安全性就不能得到保证了。